Itu lebih dari dua tahun yang lalu bahwa Large Hadron Collider memulai pencariannya untuk boson Higgs. Tetapi perburuan untuk Higgs benar-benar dimulai beberapa dekade yang lalu dengan realisasi teka-teki yang harus diselesaikan, yang melibatkan lebih dari sekedar Higgs.
Asimetri yang menarik
Pencarian dimulai dengan simetri, gagasan estetis bahwa sesuatu dapat dibalik dan masih terlihat sama. Ini adalah masalah pengalaman sehari-hari bahwa kekuatan alam bekerja dengan cara yang sama jika kiri ditukar dengan kanan; para ilmuwan menemukan ini juga berlaku, pada tingkat subatomik, untuk menukar muatan plus untuk muatan minus, dan bahkan untuk membalikkan aliran waktu. Prinsip ini juga tampaknya didukung oleh perilaku setidaknya tiga dari empat kekuatan utama yang mengatur interaksi materi dan energi.
Dengan penemuan apa yang ada dalam kemungkinan, Higgs boson yang memberikan massa, keluarga partikel fundamental yang mengatur perilaku materi dan energi kini lengkap. Kredit Gambar: Layanan Infomedia SLAC.
Pada tahun 1956, Tsung-Dao Lee dari Universitas Columbia dan Chen-Ning Yang dari Brookhaven National Laboratory menerbitkan sebuah makalah yang mempertanyakan apakah suatu bentuk simetri tertentu, yang dikenal sebagai paritas atau simetri cermin, berlaku untuk kekuatan keempat, yang mengatur interaksi lemah yang menyebabkan peluruhan nuklir. Dan mereka menyarankan cara untuk mencari tahu.
Eksperimentalis Chien-Shiung Wu, seorang kolega Lee's di Columbia, menerima tantangan itu. Dia menggunakan peluruhan Cobalt-60 untuk menunjukkan bahwa interaksi yang lemah memang membedakan antara partikel yang berputar ke kiri dan ke kanan.
Pengetahuan ini, dikombinasikan dengan satu bagian lagi yang hilang, akan mengarahkan para ahli teori untuk mengusulkan partikel baru: Higgs.
Dari mana datangnya massa?
Pada tahun 1957, petunjuk lain datang dari bidang yang tampaknya tidak berhubungan. John Bardeen, Leon Cooper dan Robert Schrieffer mengusulkan sebuah teori yang menjelaskan superkonduktivitas, yang memungkinkan bahan-bahan tertentu menghantarkan listrik tanpa hambatan. Tetapi teori BCS mereka, dinamai menurut tiga penemu, juga mengandung sesuatu yang berharga bagi fisikawan partikel, sebuah konsep yang disebut pemutusan simetri spontan. Superkonduktor mengandung pasangan elektron yang menyerap logam dan benar-benar memberi massa pada foton yang bergerak melalui materi. Para ahli teori menyarankan bahwa fenomena ini dapat digunakan sebagai model untuk menjelaskan bagaimana partikel-partikel elementer memperoleh massa.
Pada tahun 1964, tiga set ahli teori menerbitkan tiga makalah terpisah dalam Physical Review Letters, sebuah jurnal fisika bergengsi. Para ilmuwan itu adalah Peter Higgs; Robert Brout dan Francois Englert; dan Carl Hagen, Gerald Guralnik dan Tom Kibble. Secara bersama-sama, makalah-makalah itu menunjukkan bahwa pemutusan simetri spontan memang bisa memberi massa partikel tanpa melanggar relativitas khusus.
Pada tahun 1967, Steven Weinberg dan Abdus Salam mengumpulkan potongan-potongan. Bekerja dari proposal sebelumnya oleh Sheldon Glashow, mereka secara independen mengembangkan teori interaksi lemah, yang dikenal sebagai teori GWS, yang menggabungkan asimetri cermin dan memberikan massa kepada semua partikel melalui bidang yang menyerap semua ruang. Ini adalah ladang Higgs. Teorinya kompleks dan tidak dianggap serius selama beberapa tahun. Namun, pada tahun 1971 Gerard `t Hooft dan Martinus Veltman memecahkan masalah matematika dari teori, dan tiba-tiba itu menjadi penjelasan utama untuk interaksi yang lemah.
Sekarang saatnya para eksperimentalis mulai bekerja. Misi mereka: untuk menemukan partikel, boson Higgs, yang bisa eksis hanya jika bidang Higgs ini benar-benar menjangkau alam semesta, menganugerahkan massa demi partikel.
Perburuan dimulai
Deskripsi konkret dari Higgs dan ide-ide dari mana mencarinya mulai muncul pada tahun 1976. Sebagai contoh, fisikawan SLAC James Bjorken mengusulkan mencari Higgs dalam produk peluruhan boson Z, yang telah diteorikan tetapi tidak akan ditemukan sampai 1983.
Persamaan Einstein yang paling terkenal, E = mc2, memiliki implikasi mendalam bagi fisika partikel. Ini pada dasarnya berarti bahwa massa sama dengan energi, tetapi apa sebenarnya artinya bagi fisikawan partikel adalah bahwa semakin besar massa suatu partikel, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk membuatnya dan semakin besar mesin yang dibutuhkan untuk menemukannya.
Pada tahun 80-an, hanya empat partikel terberat yang masih dapat ditemukan: quark atas dan boson W, Z dan Higgs. Higgs bukan yang paling masif dari empat - kehormatan itu pergi ke atas quark - tapi itu yang paling sulit dipahami, dan akan mengambil tabrakan paling energik untuk menemukan. Penumbuk partikel tidak akan cocok dengan pekerjaan untuk waktu yang lama. Tetapi mereka mulai menyelinap di penggalian mereka dengan eksperimen yang mulai mengesampingkan berbagai kemungkinan massa untuk Higgs dan mempersempit wilayah di mana itu mungkin ada.
Pada tahun 1987, Cincin Penyimpan Elektron Cornell melakukan pencarian langsung pertama untuk boson Higgs, tidak termasuk kemungkinan bahwa ia memiliki massa yang sangat rendah. Pada tahun 1989, percobaan di SLAC dan CERN melakukan pengukuran presisi dari sifat-sifat boson Z. Eksperimen ini mendukung teori GWS tentang interaksi yang lemah dan menetapkan batas lebih pada kisaran massa yang mungkin untuk Higgs.
Kemudian, pada tahun 1995, fisikawan di Fermilab's Tevatron menemukan quark paling masif, atas, hanya menyisakan Higgs untuk melengkapi gambar Model Standar.
Menutup
Selama tahun 2000-an, fisika partikel didominasi oleh pencarian Higgs menggunakan cara apa pun yang tersedia, tetapi tanpa collider yang dapat mencapai energi yang diperlukan, semua kilasan Higgs tetap hanya itu - pandangan sekilas. Pada tahun 2000, fisikawan di Large Electron-Positron Collider (LEP) CERN tidak berhasil mencari Higgs hingga massa 114 GeV. Kemudian LEP ditutup untuk memberi jalan bagi Large Hadron Collider, yang mengarahkan proton ke tabrakan langsung dengan energi yang jauh lebih tinggi daripada yang pernah dicapai sebelumnya.
Sepanjang tahun 2000-an, para ilmuwan di Tevatron melakukan upaya heroik untuk mengatasi kekurangan energi mereka dengan lebih banyak data dan cara yang lebih baik untuk melihatnya. Pada saat LHC secara resmi memulai program penelitiannya pada 2010, Tevatron telah berhasil mempersempit pencarian, tetapi tidak dalam menemukan Higgs itu sendiri. Ketika Tevatron ditutup pada tahun 2011, para ilmuwan dibiarkan dengan sejumlah besar data, dan analisis yang luas, diumumkan awal minggu ini, menawarkan pandangan yang sedikit lebih dekat dari Higgs yang masih jauh.
Pada tahun 2011, para ilmuwan di dua percobaan LHC besar, ATLAS dan CMS, telah mengumumkan bahwa mereka juga mendekati Higgs.
Kemarin pagi, mereka memiliki pengumuman lain untuk dibuat: Mereka telah menemukan boson baru - yang bisa, setelah dipelajari lebih lanjut, terbukti menjadi tanda tangan yang telah lama dicari di ladang Higgs.
Penemuan Higgs akan menjadi awal era baru dalam fisika. Teka-teki ini jauh lebih besar dari hanya satu partikel; materi gelap dan energi gelap dan kemungkinan supersimetri masih akan memberi isyarat kepada pencari bahkan setelah Model Standar selesai. Karena bidang Higgs terhubung ke semua teka-teki lainnya, kami tidak akan dapat menyelesaikannya sampai kami tahu sifat aslinya. Apakah itu biru laut atau biru langit? Apakah itu taman atau jalur atau bangunan atau perahu? Dan bagaimana itu benar-benar terhubung ke sisa teka-teki?
Alam semesta menunggu.
oleh Lori Ann White
Diterbitkan ulang dengan izin dari SLAC National Accelerator Laboratory.